Прорыв в понимании квантовой турбулентности: исследователи показали, как энергия исчезает в квантовой турбулентности, прокладывая путь к лучшему пониманию турбулентности в масштабах от микроскопических до планетарных.
Доктор Самули Аутти из Ланкастерского университета является одним из авторов нового исследования турбулентности квантовых волн совместно с исследователями из Университета Аалто.
Выводы группы, опубликованные в журнале Nature Physics, демонстрируют новое понимание того, как волнообразное движение передает энергию от макроскопических до микроскопических масштабов длины, и их результаты подтверждают теоретическое предсказание о том, как энергия рассеивается на малых масштабах.
Это открытие станет краеугольным камнем физики больших квантовых систем
Доктор Аутти сказал: «Это открытие станет краеугольным камнем физики больших квантовых систем».
Инженеры использовали уникальный вращающийся криостат в своем исследовании.
Квантовую турбулентность в больших масштабах, например турбулентность вокруг движущихся самолетов или кораблей, смоделировать сложно. На малых масштабах квантовая турбулентность отличается от классической турбулентности, потому что турбулентный поток квантовой жидкости ограничен вокруг линейных центров потока, называемых вихрями, и может принимать только определенные квантованные значения.
Такая степень детализации значительно упрощает описание квантовой турбулентности в теории, и обычно считается, что освоение квантовой турбулентности поможет физикам понять и классическую турбулентность.
В будущем лучшее понимание турбулентности, начиная с квантового уровня, может позволить улучшить проектирование в областях, где течение и поведение жидкостей и газов, таких как вода и воздух, являются ключевыми вопросами.
Ведущий автор, доктор Джере Мякинен из Университета Аалто, сказал: «Наше исследование основных строительных блоков турбулентности может помочь лучше понять взаимодействие между различными масштабами длины в турбулентности.
«Понимание этого в классических жидкостях поможет нам делать такие вещи, как улучшение аэродинамики транспортных средств, более точное предсказание погоды или управление потоком воды в трубах. Существует огромное количество потенциальных реальных применений для понимания макроскопической турбулентности».
Доктор Аутти сказал, что квантовая турбулентность является сложной проблемой для ученых.
«В экспериментах формирование квантовой турбулентности вокруг одного вихря оставалось неуловимым в течение десятилетий, несмотря на то, что целая группа физиков, работающих над квантовой турбулентностью, пытается ее найти. Сюда входят люди, работающие над сверхтекучими и квантовыми газами, такими как атомный конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК). Теоретический механизм этого процесса известен как каскад волн Кельвина.
«В настоящей рукописи мы показываем, что этот механизм существует и работает так, как предполагалось теоретически. Это открытие станет краеугольным камнем физики или больших квантовых систем».
Теперь появились новые задачи
Группа исследователей под руководством старшего научного сотрудника Владимира Ельцова изучала турбулентность изотопа гелия-3 в уникальном вращающемся сверхнизкотемпературном холодильнике в Лаборатории низких температур в Аалто. Они обнаружили, что в микроскопических масштабах так называемые волны Кельвина воздействуют на отдельные вихри, постоянно толкая энергию во все меньшие и меньшие масштабы, что в конечном итоге приводит к масштабу, на котором происходит диссипация энергии.
Доктор Джере Мякинен из Университета Аалто сказал: «Вопрос о том, как энергия исчезает из квантованных вихрей при сверхнизких температурах, имеет решающее значение в изучении квантовой турбулентности. Наша экспериментальная установка — это первый случай, когда теоретическая модель волн Кельвина, передающих энергию диссипативным шкалам длины, была продемонстрирована в реальном мире».
Следующая задача команды состоит в том, чтобы манипулировать одним квантованным вихрем с помощью наноразмерных устройств, погруженных в сверхтекучие жидкости.
